Лекция ОН16

ТЕМА №16
Моделирование отказов микроконтактов и многослойных
пленочных структур.
При изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС для
создания межэлементных соединений на кристалле широко
используется алюминиевая разводка. Для создания внутренних
соединений между контактными площадками на кристалле и корпусе
прибора применяются соединения из золотой или в большинстве
случаев из алюминиевой проволоки. По мере возрастания степени
интеграции разработчики больших и сверхбольших ИМС вынуждены
переходить на многоуровневую разводку.
Внутренние выводы из золотой проволоки присоединяются к
контактным площадкам кристалла термокомпрессионной сваркой при
температуре подложки порядка 3000 С . В процессе термокомпрессии
происходит взаимная диффузия свариваемых металлов, в результате
чего и создается прочное соединение в месте контакта. В месте
контакта одновременно с диффузией происходит
и химческая реакция с образованием интерметаллических соединений
или интерметаллидов. В зависимости от температуры, давления,
концентрации золота и алюминия в месте их контакта могут
образовываться следующие соединения: AuAl2 , AuAl , Au2 Al , Au5 Al3 ,
Au4 Al , существенно отличающиеся по удельному сопротивлению,
коэффициенту термического расширения и твердости. При
Au
3
SiO2
4
2
1
Al
Si
Рис. 16.1. Структура термокомпрессионного контакта Al  Au .
1 - Au2 Al , 2 - Au4 Al , 3 - Au5 Al3 , 4- микротрещины.
93
температурах выше 3000 С образуется чрезвычайно пористое
соединение AuAl2 , называемое за свой цвет пурпурной чумой. Эта
разновидность интерметаллида наиболее опасна при формировании
термокомпрессионного соединения. На рис. 16.1 показана структура
контакта золотой проволоки с алюминиевой контактной площадкой. Из
рисунка следует, что весь контактный объем состоит из различных
модификаций интерметаллидов, распространяющихся на всю глубину
алюминиевой пленки. По периметру контакта из-за различия в
коэффициентах термического расширения интерметаллических фаз
образуются микротрещины.
Процесс понижения прочности металлического контакта за счет
образования интерметаллических соединений усугубляется эффектом
Киркендалла, суть которого заключается в том, что при контакте
различных металлов в месте контакта происходит взаимная диффузия
металлов по междоузлиям или вакансиям. При этом в результате
различия коэффициентов диффузии в металле с большим
коэффициентом диффузии образуются пустоты. В случае контакта
золото-алюминий, золото имеет больший коэффициент диффузии в
алюминий, поэтому на стороне золота образуются пустоты.
Таким образом, процессы образования слоев интерметаллидов,
пустот и трещин по периметру контакта снижают его прочность,
увеличивают контактное сопротивление, что, в конечном счете,
приводит к постепенному или внезапному отказу контакта, т.е. к его
обрыву. Постепенные отказы связаны со снижением быстродействия
ИМС из-за увеличения контактного сопротивления, ростом
напряжения насыщения транзисторов в импульсном режиме и т.п.
Внезапные отказы происходят вследствие обрыва контакта при
возникновении механических нагрузок из-за повышенной хрупкости
контактного соединения (наличие микротрещин). Кроме того,
возможно перегорание контакта при больших плотностях
протекающего тока в местах скопления пустот и трещин из-за его
сильного разогрева.
Кинетика роста интерметаллических соединений в контактах
связана с взаимной объемной диффузией металла. Предполагается, что
толщина слоя интерметаллидов d  t  растет со временем по закону:
(16.1)
d t   А t ,
где А - постоянная величина скорости роста фаз, зависящая от
коэффициентов взаимной диффузии контактирующих металлов и
свойств образующихся соединений. Энергия активации процесса
94
образования интерметаллических фаз находится в пределах
0,69  1,0эВ . Скорость роста интерметаллидов резко возрастает с
увеличением температуры и при температуре 4300 С достигает
2,5  5 мкм час .
Рассмотрим диффузионную модель деградации контакта
металлов: золото-алюминий (рис. 16.2). Анализ показывает, что при
термокомпрессионной сварке диффузионной зоной является тонкий
d Au
RAu
d1
а1
d диф
d Al
а2
d2
R Al
Рис. 16.2.
слой толщиной d диф  t  , зависящий от времени. Будем считать, что в
этой области для слоя толщиной а1 , удельное сопротивление равно
 Au  диф , и, следовательно:
Ra1 

Au
  диф  а1
,
S
где S - площадь поперечного сечения контакта,
(16.2)
диф - изменение
удельного сопротивления за счет взаимной диффузии,  Au - удельное
сопротивление золота.
Для области толщиной а2 можем аналогично записать:
Ra2 

Al
  диф  а2
,
(16.3)
S
где  Al - удельное сопротивление алюминия. Будем считать, что эти
сопротивления однородны по толщине, а также равенство прироста
95
удельного сопротивления диф в областях толщиной а1 и а2 . Полное
сопротивление контакта в этом случае:
(16.4)
RK  Rдиф  RAu  RAl .
Начальное сопротивление контакта до процесса диффузии:
RК 0   Au d1   Al d 2 .
(16.5)
Так как коэффициенты диффузии золота в алюминий и алюминия в
золото различны, то расстояния а1 и а2 , на которые будет
распространяться диффузионная зона от начальной плоскости
контакта, также будут различны. Запишем изменение сопротивления
контакта RК  t  со временем:
RK  t  
  Au d Au   Al d Al    Au  диф  а1   Al  диф    d диф  а1 
S

S
 RK 0  R  t  .

S

(16.6)
Тогда изменение сопротивления контакта R  t  :
R  t   RK  t   RK 0 
 Al d Al
 Au d Au
S

 Au a1
S

диф a1

 Al dдиф

S
S
 Al d диф
дифd диф
дифa1  Au d Au  Au a1  Al d Al  Al d диф








S
S
S
S
S
S
S
d диф
 a
.
(16.7)
 Al 1  диф
S
S
Толщина диффузионной зоны в соответствии с выражением (16.1)
может быть задана выражением
n
d диф   Аt  ,
(16.8)
S

E
 , n - показатель степени, зависящий от свойств
где А  А1 exp   a

kT


контактирующих металлов. Подставив формулу (16.8) в (16.7),
получим:
n
диф  Аt 
 E n
(16.9)
R  t  
 A2 exp   a  t n ,
S
 kT 
откуда для коэффициента старения контакта будем иметь:
 E 
K R  t   A3 exp   a1  t n .
(16.10)
kT


Задаваясь конкретным значением коэффициента старения, из
выражения (16.10) можем рассчитать время до отказа:
96
KR t 
.
 Eа1 
exp  

 kT 
t
(16.11)
Моделирование отказов планарных структур. Специфической
особенностью планарных приборов является то, что их активные и
пассивные компоненты формируются в виде многослойных структур с
различными электрофизическими свойствами. Наиболее существенное
свойство таких структур – локализация неконтролируемого заряда в
объемах слоев структур и на поверхности их раздела. Величина этих
зарядов и их стабильность во многом определяют надежность
полупроводниковых приборов и ИМС, изготовляемых по планарной
технологии.
Рассмотрим схему распределения локализованных зарядов в
структуре: монокристаллический кремний – двуокись кремния (рис.
16.3). На данном рисунке введены следующие обозначения:  электроны и дырки; R  и X  - положительные и отрицательные ионы
примесей, загрязнений;
- ловушки электронов и дырок;  ионизованные атомы избыточного кремния в окисле.
X X
R X 
R
R
R
R
X
X
_
_
_



_
_
_
_
_
R
SiO2
  

_
2



R
R


 
R
X

X
R

R
_
R


_
_
_
_
_
_
_
_
_



_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
1
_
Si
Рис.16.3. Структура зарядовых состояний в слое окисла на кремнии.
1 – граница раздела: кремний – двуокись кремния; 2 – поверхность окисла.
97
Наличие зарядов  Qit  на поверхности раздела системы Si  SiO2
обусловлено тем, что кристаллическая решетка кремния у поверхности
раздела обрывается и поверхностные атомы имеют ненасыщенные
электронные связи, образующие донорные и акцепторные уровни в
запрещенной зоне кремния. Концентрация таких уровней на свободной
поверхности кремния лежит в пределах 1015 см 2 . При выращивании на
поверхности кремния пленки SiO2 плотность поверхностных
состояний уменьшается и достигает 1011  1012 см2 . Эти поверхностные
состояния могут достаточно быстро перезаряжаться, обмениваясь
электронами (дырками) с кремнием. Поэтому эти поверхностные
состояния и заряды, локализующиеся на них, называют быстрыми.
У самой границы двуокиси кремния с кремнием на некотором
расстоянии вглубь пленки двуокиси кремния располагается
фиксированный заряд  Q f  с плотностью порядка 1011  1012 см2 .
Природа этого заряда связана с механизмом образования окисной
пленки на поверхности монокристаллического кремния. В процессе
окисления кремния, на его поверхности образуются монослои
нестехиометрической двуокиси кремния, и в дальнейшем реакция
окисления кремния идет по этим слоям. При этом для вступления в
реакцию окисления атомы кислорода проникают через образовавшиеся
окисные слои. Поэтому атомы кремния оказываются в избытке в
приповерхностных слоях SiO2 . Они, имея незаполненные связи, и
создают дополнительный заряд, не зависящий от внешних
электрических полей и температуры. Этот вид зарядов носит название
медленных.
Заряд, захваченный в окисле  Qot  . Этот заряд возникает,
например, при радиационном облучении структур или инжекции
горячих электронов в диэлектрик. Соответствующие ловушки более
или менее равномерно распределены по толщине слоя окисла.
Заряд подвижных ионов  Qm  (например, ионов натрия), который
может перемещаться в слое окисла при термополевых нагрузках в
МДП – структурах.
Величины всех этих зарядов относят к единице площади границы
раздела, т.е. имеют размерность Кл  см2 . Часто вместо понятия заряд
используют соответствующие поверхностные плотности, которые
обозначают символом N i ( N i  Q q - число зарядов на единичной
поверхности, обычно на 1см2 ). Поскольку энергетические уровни
98
состояний, захватывающих поверхностный заряд Qit , непрерывно
распределены в запрещенной зоне полупроводника, полезной
характеристикой является энергетическая плотность поверхностных
состояний:
1 dQit число..зарядов
.
(16.12)
Dit 
2

см

эВ


q dE
Структурные дефекты в окисной пленке могут быть местами
локализации и одновременно источниками неконтролируемых зарядов
в ней. Основные источники таких подвижных зарядов: ионы водорода,
ионы металлов и в особенности высокоподвижные ионы натрия
(которые создают преимущественно положительный заряд в слое
двуокиси кремния). Все эти заряды под действием электрических полей
могут перемещаться в слое двуокиси кремния по направлению к
границе раздела с кремнием и обратно. Концентрация зарядов может
существенно меняться в зависимости от обработки структур в
различных средах при изготовлении. Значительные изменения в
местоположении зарядов и их концентрации происходят при
дальнейшей эксплуатации приборов (в том числе, при радиационных
воздействиях).
Образование поверхностных зарядов связано с различными
загрязнениями, адсорбированными на поверхности слоя двуокиси
кремния в процессе изготовления (например, ионами хлора Cl  ). Их
особенностью является высокая подвижность, позволяющая зарядам
перемещаться на большие расстояния по поверхности окисла под
действием приложенного напряжения. При повышении температуры
активных областей прибора и окружающей среды в результате
десорбции загрязнений концентрация поверхностных зарядов может
изменяться в значительных пределах.
Все рассмотренные выше заряды, взаимодействуя с зарядами
активных областей полупроводниковых структур, искажают
конфигурацию p  n переходов, вызывают образование инверсионных
слоев, что, в конечном счете, приводит к нестабильности
электрических параметров приборов, к постепенным и внезапным
отказам.
99
Рассмотрим полупроводниковую структуру с p  n переходом,
защищенную окисной пленкой (рис. 16.4). Предположим, что заряды
(в данном случае положительные) в основном сосредоточены на
поверхности окисла у одного из внешних выводов. Избыточный
положительный заряд на поверхности способствует обогащению
SiO2
р





d1
d
n
Si
Рис.16.4.
d - ширина p  n перехода; - электроны у поверхности кремния;

- положительный заряд в окисле; d1 - уменьшение ширины p  n
перехода.
носителями слоя полупроводника под окисной пленкой.
Локальное увеличение концентрации электронов приводит к
уменьшению ширины p  n перехода в месте с повышенной
концентрацией носителей. В структуре с обогащенной носителями
приповерхностной областью при приложении обратного напряжения
возрастет напряженность электрического поля в месте сужения p  n
перехода, что приводит к росту обратного тока через переход и
поверхностному пробою.
При накоплении отрицательных зарядов на поверхности окисла
(рис. 16.5), приповерхностная область полупроводника обогащается
дырками. В зависимости от величины заряда в окисле и ряда других
100
Fei



 n 
р

dдиф
 Al a1
 диф
S
S
Aldдиф дифdдиф дифa1  d  a  d Aldдиф
    Au Au  Au 1  Al Al  
S S S SSS S

E
А  А1 exp a 
 kT 
dдиф Аt
n
Si
R
Рис.16.5.
+ - дырки у поверхности кремния;  - отрицательный заряд в
окисле; 1 - инверсный слой.
факторов обогащение приповерхностной области полупроводника
дырками может быть столь значительным, что наступит инверсия
проводимости
полупроводника.
Область,
непосредственно
примыкающая к p  n переходу, приобретает дырочную проводимость.
В связи с этим площадь p  n перехода существенно увеличивается,
что в режиме обратного смещения приводит к значительному росту
обратного тока и снижению пробивного напряжения. В случае
распространения инверсного слоя до места расположения омического
контакта происходит закорачивание p  n перехода через инверсный
канал.
Размеры инверсионных слоев и скорость их образования зависят
от величины приложенного к электродам напряжения и скорости
перемещения ионов по поверхности окисла. Изменение потенциала в
различных точках поверхности окисла во времени задается
выражением:
x R0 C0
U  U З erfc
,
(16.13)
2
t
101
где t - время; x - расстояние до электрода; U З - приложенное
напряжение; R0 - поверхностное сопротивление окисла; C 0 поверхностная емкость; erfc - функция дополнения интеграла ошибок
до единицы.
Скорость образования инверсионных слоев возрастает с ростом
температуры и влажности. Энергия активации данного процесса лежит
в пределах 0,5  1,0эВ .
На рис. 16.6 представлена динамика перераспределения зарядов в
окисле и на его поверхности и их дальнейшее взаимодействие с
полупроводниковой структурой.
В отсутствии электрического поля заряды в окисле расположены
произвольно (рис. 16.6,а). Если подать обратное напряжения смещения
к электродам полупроводниковой структуры, то электрическое поле в
p  n переходе вызывает разделение подвижных зарядов в окисле.
Положительные заряды скапливаются над
p  областью у
положительного электрода (рис. 16.6,б). В результате над p  и
n  областями образуются локальные участки с инверсной
проводимостью, и полупроводниковая диодная структура шунтируется
у поверхности встречно включенным паразитным p  n переходом
(рис. 16.6,в). Данный механизм ответственен за нестабильность
обратных токов p  n переходов во времени. При значительной
инверсии приповерхностных областей диодной структуры возможна
потеря выпрямляющих свойств p  n перехода.
Подвижные заряды, находящиеся в объеме окисла также влияют
на стабильность характеристик приборов. Предполагается, что в
нейтральном состоянии структуры ионы загрязнений, являющиеся
носителями зарядов, равномерно распределены в объеме окисла. Под
действием этих зарядов в приповерхностном слое кремния
индуцируется заряд, противоположный по знаку заряду в окисле.
Индуцированный заряд компенсирует заряд в окисле и поэтому
пороговое напряжение структуры не изменяется. В p  канальных
структурах
при
приложении
отрицательного
напряжения
положительные ионы загрязнений перемещаются под действием
электрического поля к нижней плоскости затвора, что приводит к
уменьшению индуцированного заряда в кремнии и, следовательно, к
ослаблению его компенсирующего воздействия. Окончательным
результатом этого процесса является накопление положительных
зарядов под затвором и изменение порогового напряжения.
102

1
SiO2


















 

p
n
n
p
2

а)
3
б)

4















n
p
5
в)
Рис. 16.6.
1 – заряды на поверхности окисла; 2,3 – дырки и электроны в
приповерхностной области кремния; 4,5 – инверсионные слои p  и
n  типа у поверхности кремния.
В n  канальных структурах, при подаче положительного
напряжения смещения, ионы загрязнений движутся к поверхности
раздела системы кремний – двуокись кремния. Из-за накопления заряда
у поверхности раздела происходит увеличение индуцированного заряда
в приповерхностной области кремния. За счет этого изменяется
пороговое напряжение структуры. Продольная составляющая
электрического поля в p  канальной структуре направлена в сторону
от затвора, что способствует уходу ионов за пределы подзатворной
области и, значит, снижению чувствительности p  канальной
структуры к накоплению зарядов под затвором. В n  канальной
структуре продольное электрическое поле направлено к затвору, что
способствует притоку ионов из участков, прилегающих к подзатворной
103
области. Вследствие этого, пороговое напряжение в n  канальной
структуре изменяется гораздо значительнее, чем в p  канальной.
Время наработки на отказ при учете рассмотренных выше
процессов хорошо описывается уравнением вида:
1
 E 
 A exp   a  ,
(16.14)
t
 kT 
где А - параметр, зависящий от свойств границы раздела: кремний –
двуокись кремния.
Контрольные вопросы
1. В чем суть эффекта Киркендалла?
2. Чему
равна
энергия
активации
процесса
образования
интерметаллических фаз?
3. По какому закону происходит рост толщины слоя интерметаллидов
от времени?
4. Что представляет собой диффузионная модель деградации контакта
металлов: золото-алюминий?
5. Какие поверхностные заряды называют быстрыми?
6. Какие поверхностные заряды называют медленными?
7. Как
влияет
накопление
поверхностных
зарядов
на
полупроводниковые структуры, имеющие p  n переход?
8. Каким выражением задается изменение потенциала в каких либо
точках поверхности окисла от времени?
9. К чему приводит накопление заряда под затвором для n  канальных
структур?
10.К чему приводит накопление заряда под затвором для
p  канальных структур?
104